CN105627560B - 高温连续式氮气加热器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高温连续式氮气加热器。其包括筒体、水冷正电极、水冷负电极和加热元件；加热元件安装于筒体的中轴线上，其一端通过滑动转接件与水冷正电极相连，水冷正电极经由密封连接在筒体的一端上的水冷端面法兰穿出与电源相连，加热元件的另一端从封闭筒体另一端的石墨挡板穿出；通过电极转接盘安装在加热元件上的上下两个水冷负电极经由筒体壁上的通孔穿出与电源连接，加热元件是通过外层的石墨直管和内层的外管壁带有螺旋翅片的石墨直管组成的夹层结构，通过螺旋翅片在外层管和内层管之间形成有螺旋通道，与加热元件一端相连的滑动转接件上具有通孔。本发明解决了加热元件热膨胀及大电流导电的难题，本发明能够实现对氮气气流的连续加热。

Description

高温连续式氮气加热器
技术领域
本发明涉及一种高温连续式氮气加热器，主要用于风洞实验研究中对氮气及惰性气体进行加热，属于航空航天领域。
背景技术
常规高超声速风洞一般使用压缩空气或者氮气作为试验介质，而压缩空气或氮气在喷管中膨胀时使气流温度急剧下降，使得气流产生冷凝。所以在高超声速风洞中，一般采用加热设备对试验介质进行加热，避免气流产生冷凝现象。
在风洞实验过程中对气流加热设备比较多，主要有蓄热式和连续式两种。蓄热式加热器通过对金属板及陶瓷体等蓄热元件加热，通过蓄热元件储存的热量对气体加热。连续式加热器可以采用电加热，经加热元件传递给气流。现在采用的连续式加热器大多是金属管作为加热元件的，但是金属管加热器的温度上限受限，当气流温度需要达到1200K以上的时候金属管加热器无法实现，而采用石墨作为加热元件能够满足高温工况的使用。
发明内容
本发明主要目的是为了解决氮气及惰性气体在风洞实验过程中高温加热的问题，
本发明高温连续式氮气加热器包括筒体、水冷正电极、水冷负电极和加热元件；所述加热元件安装于所述筒体的中轴线上，其一端通过滑动转接件与所述水冷正电极相连，所述水冷正电极经由密封连接在所述筒体的一端上的水冷端面法兰穿出与电源相连，所述加热元件的另一端从封闭所述筒体另一端的石墨挡板穿出；通过电极转接盘安装在所述加热元件上的上下两个所述水冷负电极经由所述筒体壁上的通孔穿出与电源连接，所述加热元件是通过外层的石墨直管和内层的外管壁带有螺旋翅片的石墨直管组成的夹层结构，通过所述螺旋翅片在外层管和内层管之间形成有螺旋通道，与所述加热元件一端相连的滑动转接件上具有通孔，该通孔能够将从安装于所述筒体壁上的进气管流进的气体引进到所述加热元件的夹层中，流过其间的螺旋通道，再经由设置在内层管壁上的通孔流入到内层管中，从穿过所述石墨挡板的出口流出。
优选所述筒体是由壳体套筒和隔热套筒组成夹层结构，所述壳体套筒的靠近所述水冷正电极的壁上安装有进气管，所述壳体套筒和所述隔热套筒的靠近所述石墨挡板的壁上下位置分别开设有相互对应的通孔，用于安装所述水冷负电极，并且，所述隔热套筒壁上的通孔还用于气流通道，由所述进气管流进的气体经由所述隔热套筒壁上的通孔进入到所述隔热套筒与所述加热元件之间的空间中。
优选所述水冷正电极为水冷铜电极，所述水冷正电极与所述水冷端面法兰之间设置有由四氟棒加工而成的绝缘密封套。
优选所述水冷负电极为水冷铜电极，所述水冷负电极通过压盖和填料密封安装在所述壳体套筒上。
优选所述加热元件的内层螺旋石墨管在其靠近所述石墨挡板的管壁一周上等间隔开设有四个进气通孔。
优选所述加热元件最大能够施加100kW功率及6000A电流，其温度能够达到2500K。
本发明是一种连续式石墨电阻加热器，加热器采用高纯等静压石墨螺旋管作为加热元件，本发明解决了加热元件在加热过程中的热膨胀及大电流导电的难题，本发明能够实现对氮气气流的连续加热，出口氮气温度可以达到2000K。
附图说明
图1是本发明加热器的结构图。
图2是水冷正极结构型式图。图3水冷正电极与水冷法兰之间的绝缘密封结构型式图。图4水冷主壳体结构示意图。
图5套管加热元件及螺旋管加热元件及滑动转接件关系图。
图6氮气在从导气管到前室走道及相关结构图。图7两个负电极与电极转接盘及加热元件连接图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明的高温连续式氮气加热器包括水冷正电极1、电极绝缘密封件2、水冷端面法兰3、进气管路及阀门4、滑动转接件5、外套管加热元件6、螺旋石墨管加热元件7、主壳体8、主壳体隔热筒9、电极转接盘10、水冷负电极11、锁紧螺母12、导气管13、石墨挡板14、石墨压紧环15、水冷前室16、前室保温筒17、出口水冷法兰18及出口限流喷嘴19等。
主壳体8和隔热筒9组成夹层结构，主壳体8的的壁上安装有进气管，通过进气管路及阀门4与气源相连。主壳体8和隔热筒9的一端被水冷端面法兰3密封堵住。另一端通过石墨挡板14和石墨压紧环15密封堵住。
如图1、5所示，外套管加热元件6套在螺旋石墨管加热元件7外层形成夹层结构，在螺旋石墨管加热元件7的外管壁上带有螺旋翅片，通过该螺旋翅片在夹层中形成螺旋通道，外套管加热元件6和螺旋石墨管加热元件7组成一个整体的加热元件，其一端通过滑动转接件5与水冷正电极1相连，滑动转接件5上具有小孔，该小孔能够将气体引进到加热元件的夹层中，水冷正电极1通过电极绝缘密封件2穿出水冷端面法兰3与电源相连，整体加热元件的另一端从石墨挡板14穿出，在螺旋石墨管加热元件7的靠近石墨挡板14的管壁的一个圆周上等间隔开设有四个通孔，用作气体通道；通过电极转接盘10安装在外套管加热元件6上的上下两个水冷负电极11经由主壳体8和隔热筒9各自的筒壁上开设的通孔穿出与电源连接。水冷负电极11与主壳体8之间通过压盖和填料进行密封安装。
从进气管流进的气体通过隔热筒9壁上的通孔流进隔热筒9和外套管加热元件6之间的空间，再通过滑动转接件5上的小孔流进螺旋通道，再经由石墨管加热元件7圆周上的四个通孔流入到管中，从导气管13流出。主壳体8、隔热筒9、外套管加热元件6和螺旋石墨管加热元件7是同轴配置的。
如图2所示，水冷正电极1是由纯铜制作。水冷正电极1和水冷负电极11分别连接直流电源的正负极，将电流引入外套管加热元件6和螺旋石墨管加热元件7，外套管加热元件6和螺旋石墨管加热元件7通入电流可以达到6000A；如图7所示，水冷负电极11也采用铜电极。水冷负电极11与螺旋石墨管加热元件7之间通过电极转接盘10固定连接；水冷正电极1与螺旋石墨管加热元件7之间通过电极滑动转接件5连接，通过滑动转借件5能够在实现大电流的通过的同时能够通过滑动吸收加热元件的热膨胀。
水冷正电极1及两个水冷负电极11分别连接电源的正负极，电流通过水冷正极1、滑动转接件5、外套管加热元件6及螺旋管加热元件7，经过电极转接盘10导入水冷负电极11，然后返回电源，外套管加热元件6及螺旋管加热元件7在电流通过后产生热量升温。
主壳体8的入口管道上安装有进气管路及阀门4，气体由此被引入主壳体8，经由隔热套筒9上的通孔进入内部空间，然后通过滑动转接件5上的小孔进入外套管加热元件6及螺旋石墨管加热元件7之间的螺旋通道，经过螺旋通道的气体与外套管加热元件6及螺旋石墨管加热元件7进行换热，高温氮气通过螺旋石墨管加热元件7上的通孔进入导气管13，然后进入水冷前室16。本实施例中是对氮气进行加热。
主壳体隔热筒9主要是减少加热元件的热损失及热防护；前室保温筒17主要作用是热防护；出口限流喷嘴19主要作用为控制氮气流量。
如图3所示，电极绝缘密封件2是由四氟棒加工而成，能够起到绝缘和密封的功效。
如图4所示，主壳体8采用夹层水冷结构。
如图6所示，石墨挡板14及石墨压紧环15的主要作用是阻止氮气从主壳体不通过加热元件直接进入水冷前室。
本发明采用外套管加热元件6和螺旋管加热元件7组合作为加热元件，加热元件能够通过大电流，该加热元件最大可以施加100kW功率及6000A电流，外套管加热元件6和螺旋管加热元件7温度可以达到2500K，外套管加热元件6和螺旋管加热元件7组合作为加热元件可以增大气流的加热长度及加热面积，常温氮气或其他惰性气体在经过加热元件后在出口处气流温度可以达到2000K。
本发明所有石墨材料均采用等静压高纯石墨，加热元件采用螺旋管及套管结构，螺旋管结构能够增加气体的换热面积及换热长度，从而提高换热效率；
电源产生的热量使的螺旋管加热元件温度升高，从而使氮气通过螺旋管通道经过换热后温度升高；
螺旋管加热元件与正电极之间通过滑动转接件来实现导电，加热元件在高温膨胀过程中，滑动转接件能实现加热元件与电极之间的滑动与导电，在高温环境下的滑动导电过程中，导电面不会产生打火现象。

Claims (6)

1.一种高温连续式氮气加热器，其特征在于：包括筒体、水冷正电极、水冷负电极和加热元件；所述加热元件安装于所述筒体的中轴线上，其一端通过滑动转接件与所述水冷正电极相连，所述水冷正电极经由密封连接在所述筒体的一端上的水冷端面法兰穿出与电源相连，所述加热元件的另一端从封闭所述筒体另一端的石墨挡板穿出；通过电极转接盘安装在所述加热元件上的上下两个所述水冷负电极经由所述筒体壁上的通孔穿出与电源连接，所述加热元件是通过外层的石墨直管和内层的外管壁带有螺旋翅片的石墨直管组成的夹层结构，通过所述螺旋翅片在外层管和内层管之间形成有螺旋通道，与所述加热元件一端相连的滑动转接件上具有通孔，该通孔能够将从安装于所述筒体壁上的进气管流进的气体引进到所述加热元件的夹层中，流过其间的螺旋通道，再经由设置在内层管壁上的通孔流入到内层管中，从穿过所述石墨挡板的出口流出。
2.如权利要求1中所述的高温连续式氮气加热器，其特征在于：所述筒体是由壳体套筒和隔热套筒组成夹层结构，所述壳体套筒的靠近所述水冷正电极的壁上安装有进气管，所述壳体套筒和所述隔热套筒的靠近所述石墨挡板的壁上下位置分别开设有相互对应的通孔，用于安装所述水冷负电极，并且，所述隔热套筒壁上的通孔还用于气流通道，由所述进气管流进的气体经由所述隔热套筒壁上的通孔进入到所述隔热套筒与所述加热元件之间的空间中。
3.如权利要求1中所述的高温连续式氮气加热器，其特征在于：所述水冷正电极为水冷铜电极，所述水冷正电极与所述水冷端面法兰之间设置有由四氟棒加工而成的绝缘密封套。
4.如权利要求2中所述的高温连续式氮气加热器，其特征在于：所述水冷负电极为水冷铜电极，所述水冷负电极通过压盖和填料密封安装在所述壳体套筒上。
5.如权利要求1中所述的高温连续式氮气加热器，其特征在于：所述加热元件的内层螺旋石墨管在其靠近所述石墨挡板的管壁一周上等间隔开设有四个进气通孔。
6.如权利要求1中所述的高温连续式氮气加热器，其特征在于：所述加热元件最大能够施加100kW功率及6000A电流，其温度能够达到2500K。
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